El agua puede controlar la rapidez con la que se contraen los músculos

Según un nuevo estudio, el flujo de agua en una fibra muscular puede determinar qué tan rápido se pueden contraer los músculos.

Casi todos los animales utilizan músculos para moverse y se sabe desde hace mucho tiempo que los músculos, como todas las demás células, están compuestos aproximadamente en un 70% de agua. Pero los investigadores no saben qué establece el rango y los límites superiores del rendimiento muscular.

Investigaciones anteriores sobre cómo funciona el músculo se han centrado únicamente en cómo funciona a nivel molecular y no en cómo se forman las fibras musculares, que son tridimensionales y están llenas de líquido.

El físico Suraj Shankar de la Universidad de Michigan, junto con L. Mahadevan, profesor de física de la Universidad de Harvard, crearon un modelo teórico del papel del agua en la contracción muscular y descubrieron que la forma en que el líquido se mueve a través de una fibra muscular determina la velocidad con la que una fibra muscular puede contrato.

También descubrieron que el músculo exhibe un nuevo tipo de elasticidad llamada elasticidad impar que permite a los músculos generar potencia mediante deformaciones tridimensionales, como se muestra en una observación común de que cuando una fibra muscular se contrae en longitud, también se abulta perpendicularmente.

Los investigadores dicen que este marco puede usarse para describir muchas otras células y tejidos, que también están compuestos en gran parte por agua, y puede aplicarse a los movimientos ultrarrápidos de microorganismos unicelulares y cómo se pueden controlar.

Sus hallazgos también podrían afectar el diseño de actuadores blandos (un tipo de material que convierte la energía en movimiento), músculos artificiales rápidos y materiales que cambian de forma, todos los cuales tienen velocidades de contracción muy marcadas porque se activan externamente.

Los investigadores imaginan cada fibra muscular como una esponja activa que se autoexprime, un material lleno de agua, como una esponja que puede contraerse y exprimirse a sí misma mediante la acción de motores moleculares, afirma.

«Las fibras musculares están compuestas de muchos componentes, como diversas proteínas, núcleos celulares, orgánulos como las mitocondrias y motores moleculares como la miosina, que convierten el combustible químico en movimiento e impulsan la contracción muscular», dice Shankar. «Todos estos componentes forman una red porosa que se sumerge en agua. Así que una descripción apropiada y burda de los músculos es la de una esponja activa».

Pero el proceso de compresión requiere tiempo para mover el agua, por lo que los investigadores sospecharon que este movimiento del agua a través de la fibra muscular establecía un límite superior en cuanto a cuánto podía agitarse rápidamente una fibra muscular.

Para probar su teoría, modelaron los movimientos musculares en múltiples organismos de mamíferos, insectos, aves, peces y reptiles, con énfasis en animales que usan músculos para movimientos muy rápidos.

Descubrieron que los músculos que producen sonido, como el cascabel de la cola de una serpiente de cascabel, que puede contraerse de diez a cientos de veces por segundo, normalmente no dependen de los flujos de fluido. En cambio, estas contracciones están controladas por el sistema nervioso y están dictadas con mayor fuerza por las propiedades moleculares, o el tiempo que tardan los motores moleculares dentro de las células en alinearse y generar fuerzas.

Pero en organismos más pequeños, como los insectos voladores que baten sus alas entre unos cientos y miles de veces por segundo, estas contracciones son demasiado rápidas para que las neuronas las controlen directamente. Aquí los flujos de fluidos son más importantes.

«En estos casos, descubrimos que los flujos de líquido dentro de la fibra muscular son importantes y nuestro mecanismo de hidráulica activa probablemente limite las tasas de contracción más rápidas», dice Shankar. «Algunos insectos como los mosquitos parecen estar cerca de nuestro límite teóricamente predicho, pero se necesitan pruebas experimentales directas para comprobar y desafiar nuestras predicciones».

Los investigadores también descubrieron que cuando las fibras musculares actúan como una esponja activa, el proceso también hace que los músculos actúen como una máquina elástica activa. Cuando algo es elástico, como una banda elástica, almacena energía mientras intenta resistir la deformación. Imagínese sosteniendo una banda elástica entre dos dedos y tirando de ella hacia atrás. Cuando sueltas la banda elástica, la banda también libera la energía almacenada cuando se estaba estirando. En este caso, la energía se conserva, una ley básica de la física que dicta que la cantidad de energía en un sistema cerrado debe permanecer igual a lo largo del tiempo.

Pero cuando el músculo convierte el combustible químico en trabajo mecánico, puede producir energía como un motor, lo que viola la ley de conservación de la energía. En este caso, el músculo muestra una nueva propiedad llamada «elasticidad impar», donde su respuesta cuando se aplasta en una dirección contra otra no es recíproca. A diferencia de la banda elástica, cuando los músculos se contraen y relajan a lo largo de su longitud, también sobresale perpendicularmente y su energía no permanece igual. Esto permite que las fibras musculares generen energía a partir de deformaciones repetitivas, comportándose como una máquina blanda.

«Estos resultados contrastan con el pensamiento predominante, que se centra en los detalles moleculares y descuida el hecho de que los músculos son largos y filamentosos, están hidratados y tienen procesos a múltiples escalas», dice Shankar.

«En conjunto, nuestros resultados sugieren que una visión revisada de cómo funcionan los músculos es esencial para comprender su fisiología. Esto también es crucial para comprender el origen, la extensión y los límites que son la base de las diferentes formas de movimiento animal».

La investigación aparece en la revista. Naturaleza física.

Fuente: Universidad de Michigan